論文の概要: The maximum refractive index of an atomic crystal $\unicode{x2013}$ from
quantum optics to quantum chemistry
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2303.10998v1
- Date: Mon, 20 Mar 2023 10:29:12 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-03-21 16:05:59.050864
- Title: The maximum refractive index of an atomic crystal $\unicode{x2013}$ from
quantum optics to quantum chemistry
- Title（参考訳）: 量子光学から量子化学への原子結晶$\unicode{x2013}$の最大屈折率
- Authors: Francesco Andreoli, Bennet Windt, Stefano Grava, Gian Marcello
Andolina, Michael J. Gullans, Alexander A. High and Darrick E. Chang
- Abstract要約: 原子密度関数としての原子配列の順序付けの指数について検討する。
量子光学では、理想的な光-物質相互作用が単一モードの性質を持つことを示す。
量子化学の開始時に、2つの物理機構が非弾性または空間的多モード光散乱過程を開封する方法を示す。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 52.77024349608834
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: All known optical materials have an index of refraction of order unity.
Despite the tremendous implications that an ultrahigh index could have for
optical technologies, little research has been done on why the refractive index
of materials is universally small, and whether this observation is fundamental.
Here, we investigate the index of an ordered arrangement of atoms, as a
function of atomic density. At dilute densities, this problem falls into the
realm of quantum optics, where atoms do not interact with one another except
via the scattering of light. On the other hand, when the lattice constant
becomes comparable to the Bohr radius, the electronic orbitals begin to
overlap, giving rise to quantum chemistry. We present a minimal model that
allows for a unifying theory of index spanning these two regimes. A key aspect
is the treatment of multiple light scattering, which can be highly
non-perturbative over a large density range, and which is the reason that
conventional theories of the index break down. In the quantum optics regime, we
show that ideal light-matter interactions can have a single-mode nature,
allowing for a purely real refractive index that grows with density as
$(N/V)^{1/3}$. At the onset of quantum chemistry, we show how two physical
mechanisms (excited electron tunneling dynamics and the buildup of electronic
density-density correlations) can open up inelastic or spatial multi-mode light
scattering processes, which ultimately reduce the index back to order unity
while introducing absorption. Around the onset of chemistry, our theory
predicts that ultrahigh index ($n\sim 30$), low-loss materials could in
principle be allowed by the laws of nature.
- Abstract（参考訳）: 既知のすべての光学材料は、オーダーユニティの屈折率を持つ。
超高指数が光学技術にもたらす大きな影響にもかかわらず、なぜ材料の屈折率が普遍的に小さいのか、そしてこの観測が基本であるかどうかについての研究はほとんど行われていない。
本稿では、原子密度の関数として、規則的な原子配列の指数を調べる。
希薄な密度では、この問題は量子光学の領域に陥り、原子は光の散乱によって相互作用しない。
一方、格子定数がボーア半径に匹敵するようになると、電子軌道は重なり始め、量子化学が生まれる。
これら2つの条件にまたがる指数の統一理論を可能にする最小モデルを提案する。
鍵となる側面は多重光散乱の処理であり、これは大きな密度範囲で非常に非摂動的であり、これはインデックスの従来の理論が崩壊する理由である。
量子光学系では、理想的な光-物質相互作用は単一モードの性質を持ち、密度が$(n/v)^{1/3}$となる純粋に真の屈折率が得られる。
量子化学の開始時に、2つの物理機構(励起電子トンネル力学と電子密度-密度相関の蓄積)が非弾性または空間的多モード光散乱過程を開き、吸収を導入しながらインデックスを秩序に戻すことができることを示す。
化学の開始の頃、我々の理論は超高指数(n\sim 30$)の低損失物質は原則として自然の法則によって許容されると予測している。
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